土木工程大类专业结构力学教学

摘 要：结构力学是土木工程大类专业的一门重要专业基础课程,在培养土木工程大类专业复合型人才教学计划体系中起着承上启下的重要作用.在“大土木”背景下,从结构力学的学科体系出发,对教学内容、教学方法及政策导向等方面进行分析探讨,以促进教学方法的改革.

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关 键 词：土木工程大类专业；结构力学；教学内容；教学方法

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中图分类号：TU311；G6420文献标志码：A文章编号：1005-2909(2012)04-0062-04

1998年10月教育部颁布了《普通高等学校本科专业目录》,将原土木建筑类的8个专业(建筑工程专业、交通土建工程专业、城镇建设专业(部分)、矿山建设专业、工业设备安装工程专业、涉外建筑工程专业、饭店工程专业、土木工程专业)合并为土木工程专业.土木工程学科由20世纪50年代较窄的专业模式转变为如今的“大土木”模式,现今的“大土木”范畴并不是以前土木工程相关专业的简单归并与重复,而是更高意义上的整合和扩展,文章称之为“土木工程大类专业”.同时,伴随着中国经济的快速发展与市场化程度日益深化,土木工程类企业参与国际市场的机遇与挑战并存,对土木工程大类专业人才的培养质量提出了更高的要求.土木工程大类专业人才培养一直以来存在“专”与“通”的矛盾,即专业技术应用型人才和复合型人才培养的矛盾［1］.

目前,相关教育管理部门、各高校及学者基本形成共识：土木工程大类专业人才的培养应“强基础、宽口径、多方向”.其中,“强基础”是“宽口径、多方向”的前提,国内开设土木工程大类专业的高校学制4年的总学时一般控制在2500学时左右,公共平台课（含公共基础课、专业基础课及人文社科选修课）占教学计划总学时的80%,约2000学时,基础课和专业基础课的学时较为充裕,能较好地满足土木工程大类专业复合型人才“强基础”的培养要求.国外土木工程大类专业特别注重力学类课程的学习,如：密歇根州立大学力学类课程为17学分,占总学分(128学分)的13%；佛罗里达大学力学类课程26学分,占总学分(131学分)的20%；威斯康星麦迪逊大学力学类课程24学分,占总学分(125学分)的19%；南加利福尼亚大学力学类课程21学分,占总学分(135学分)的16%.力学类课程在总学分中所占的比重高是“强基础”的充分体现［2］.需要强调的是：基础课根据培养目标要求,重在让学生掌握必要的基础理论.基础教学不仅应从专业教育的需要来考虑,还应着眼于学生今后的发展,为“宽专业”的培养目标打下坚实的基础.

结构力学是固体力学的一个分支,主要研究工程结构受力和传力的规律、工程结构的优化等内容.结构力学任务是：研究工程结构在外载荷作用下的应力、应变和位移等规律；分析不同形式和不同材料的工程结构,为工程设计提供分析方法和计算公式；确定工程结构承受和传递外力的能力；研究和发展新型工程结构.作为土木工程大类专业承接专业基础课和专业课的重要课程,结构力学课程历来受到各高校、教学管理部门及专业协会、学会的重视.中国土木工程学会教育工作委员会江苏分会于2011年组织举办了江苏省高校首届土木工程青年教师讲课竞赛,结构力学作为四门竞赛课程之一,江苏省大部分土木工程类院校都安排青年教师参加,是参赛人数最多的课程,充分体现了结构力学课程的重要性.随着科学的发展和技术的进步,以及力学解题方法的增加和计算机的普及,结构力学涉及的内容越来越多.同时,由于中国高校本科专业的调整、压缩,相关课程学时的减少,如何在有限的学时内把结构力学教好,以及如何合理调整教学内容、改进教学方法以适应形势的发展和现实的需要,就显得尤为重要.但目前在“大土木”背景下有关结构力学的教学探讨还不够充分,文章从结构力学的学科体系出发,从课程内容设置、教学方法几个方面探讨了“大土木”背景下结构力学课程的教学工作.

一、结构力学的学科体系

结构力学根据研究性质和对象的不同分为结构静力学,结构动力学,结构稳定理论,结构断裂、疲劳理论,杆系结构理论,薄壁结构理论和整体结构理论等.

结构静力学主要研究工程结构在静载荷作用下的弹塑性变形和应力状态以及结构优化问题,是结构力学其他分支学科的基础.结构动力学是研究工程结构在动载荷作用下的响应和性能的分支学科,由于涉及时间因素,结构动力学的研究内容一般比结构静力学复杂.结构稳定理论是研究工程结构稳定性的分支,主要研究细杆、薄板和薄壳在受压时应力小于屈服极限的情况下发生失稳(皱损或曲屈)的问题.结构断裂和疲劳理论是研究因工程结构内部裂纹在外载荷作用下扩展引起断裂破坏,或在幅值较小的交变载荷作用下引起疲劳破坏的学科.另外在对各种工程结构的理论和实验研究中,针对研究对象的维度差别还形成了杆系结构理论、薄壁结构理论和整体结构理论三类.随着科学技术的不断进展,又涌现出夹层结构和复合材料结构［3］.

结构力学是一门古老且如今发展迅速的学科,新型工程材料和新型工程结构的大量涌现为结构力学提供了新的研究内容并提出了新的要求.同时,计算机技术的发展为结构力学提供了有力的计算工具.结构力学对数学及其他学科的发展起到了很好的推动作用,如有限元法这一数学方法的出现和发展就与结构力学的研究有密切关系.

二、结构力学教学内容改革探讨

目前的土木工程大类专业结构力学的教学内容根据其研究性质和对象的不同主要由三部分组成,分别是结构静力学、结构动力学、结构稳定理论.以结构静力学和结构动力学为主,涉及少量结构稳定理论.主要教学内容大致可分为两类,一类是针对全体学生以巩固力学基础和分析、解决问题的能力为目的,要求熟练掌握.包括几何组成分析,静定结构的受力分析,影响线,荷载、温度、支座移动作用下的位移计算,超静定结构计算方法（力法、位移法,力矩分配法、矩阵位移法）,结构动力计算基础等力学经典内容［4］.另一类是延伸学习内容包括结构位移计算中的温度作用下的位移计算、变形体的虚功原理、用力法计算求解超静定的桁架和组合结构,两铰拱、无铰拱、支座移动和温度改变时的计算,超静定结构位移的计算,无剪力分配法、力矩分配法与位移法的联合应用,迭代法、超静定结构的影响线、多自由度体系及无限自由度体系的振动,能量法求自振频率、结构的稳定计算、结构的塑性分析和极限荷载等内容［5］.课时分配一般根据专业情况有所区别,如江苏大学对结构类土木工程大类专业如土木建筑、交通土建分两学期进行,分设结构静力学和结构动力学两门课程,课时都为45学时,共计6学分,非结构类土木工程大类专业如工程管理、交通工程等为一学期,课时为45学时,计3个学分.